技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法，属于无线传感监测技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，井下开采工作环境的安全问题颇受重视，正因如此，对井下工作环境的监测和相关报警技术要求更高。影响井下安全问题的因素很多，例如：矿井
风速、矿尘、瓦斯及温湿度等，其中瓦斯的危害性相当严重，就目前而言，井下有线传输网络移动不便、不能完全
覆盖工作区域等问题并没有得到较有效的解决，而且目前有关井下瓦斯监测系统的实时性达不到所需的
水平，且做不到全面全局的井下监控，维护不方便并且成本较高。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法，以用于解决由于井下瓦斯监测实时性不高，维护不方便，结构复杂，成本高以及不能准确的做到全面监测等现象，而不能有效避免矿井瓦斯事故的发生的问题，本发明采用ZigBee协议栈，实现ZigBee无线通信监测系统，可以更加全面的对井下环境进行全局监测，增加了实时性，成本降低，能耗减少，使用寿命得以延长，结构简单，维护便捷等优势。
[0004] 本发明技术方案是：一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，包括电源管理模
块、协调模块、传感模块、复位
电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接；
[0005] 所述电源管理模块包括外设
电池、
接口U1、自
锁开关U2、AMS1117-3.3V稳压器U3、电容C1、电容C2、
电阻R9；电池通过电源线连接到接口U1，U1的端口1与U2的端口2连接，端口2接地；U2的端口3连接电阻R9的一端，其它端口悬空；U3的端口1接地，端口2与端口4连接电容C1的一端，C1的另一侧接地，端口3连接电容C2，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与端口3相连，端口4接Vcc端，为整个系统供电。其中电容C1、电容C2、电阻R9和U3构成稳压电路。
[0006] 所述传感模块包括MQ-2
传感器H1、LM393双
电压比较器U8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、滑动变阻器RP1、电容C4、电容C5、LED1；H1端口1、端口2、端口3同时接地，端口4和端口6相连，连接到U8的端口2，且串接一个电阻R13并接地，端口5与电阻R12相连接后接地；U8的端口1作为输出端口，与电阻R10和U7的端口11相连，端口2与电容C5的一端连接，C5的另一端接地，端口3与滑动变阻器RP1连接，RP1两端分别接+5V电压和接地，端口4接地，端口8接+5V的电压，串接一个电容C4后接地，其它端口悬空；R10并接在LED1和R11的两端，通过LED1的亮暗程度来表示电压的变化，用于辅助灵敏度的调节。LED2与电阻R1构成电源指示灯，LED3与电阻R2相连、LED4与电阻R3相连、LED5与电阻R4相连，这三部分构成了电路工作状态指示灯，LED6与电阻R8的一端相连接，LS与R7串接并联在R8两侧，构成了报警电路，按键U4、电阻R5和电容C3构成了复位电路。
[0007] 所述协调模块包括CC2530芯片、2*6排针U6、2*6排针U7、oled显示器、下载接口U9、电阻R6；CC2530芯片分别与2*6排针U6、2*6排针U7连接，U9的引脚1接地，引脚2接
电源电压，引脚3连接U6的引脚2，还与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R1相连，引脚4与U6的引脚3相连，引脚5与U6的引脚8相连，引脚6与U6的引脚7相连，引脚7与U7的引脚3相连，引脚8与U6的引脚6相连，引脚9悬空，引脚10和oled显示器的引脚2同时与U6的引脚5相连；U6的引脚4悬空，引脚9与oled显示器的引脚3相连，引脚10与oled显示器的引脚4相连，引脚12与LED3相连；U7的引脚1与oled的引脚6都接地，引脚2和引脚4接电源电压，引脚3与电容C3一端连接，引脚5与oled引脚1连接，引脚9连接报警模块中的发光
二极管LED6的一端，引脚11与U8的引脚1连接，引脚6、7、8、10、12均处于悬空状态。
[0008] 所述报警模块包含
发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、蜂鸣器LS；发光二极管LED2
阳极通过电阻R1与电源VCC相连，LED3阳极通过电阻R2与电源VCC相连接，LED4阳极通过电阻R3与电源VCC相连接，LED5阳极通过电阻R4与电源VCC相连接，LED2
阴极接地，LED3阴极、LED4阴极、LED5阴极分别接协调模块中的排针U6的P10、P11、P14口，LED6阴极接协调模块中的排针U7的P04口；LED6阳极与电阻R8的一端、蜂鸣器LS的端口2相连接，电阻R8的另一端接电阻R7的一端、接地，电阻R7的另一端与蜂鸣器LS的端口1相连，相当于蜂鸣器LS并接在电阻R8两端。
[0009] 所述复位电路包括按键U4、电容C3、电阻R5；电阻R5接U3的端口4Vcc端，U4的1端口接协调模块中的2*6排针U7的3端口，U4的3端口接地，电容C3并联在U4的端口1和端口3两端。
[0010] 一种基于ZigBee协议栈的无线瓦斯监测方法，所述方法的具体步骤如下：
[0011] A、利用外部电源供电：将外设电池通过电源线接入到电路接口U1，由AMS1117-3.3V稳压器U3对电源电压进行电压转换，将得到的适合电路工作的电压作为电源电压由U3的端口4输出，当报警模块中的发光二极管LED2灯亮时，表示电源无误，开始为整个电路供电；
[0012] B、利用传感模块中的MQ-2传感器采集瓦斯浓度信息：开始供电后，MQ-2传感器作为瓦斯采集传感器，开始对所处环境中瓦斯数据进行
感知采集；
[0013] C、利用无线射频模块进行数据收发，在oled显示器上显示数据信息：采集到瓦斯数据后，判断各个传感器
节点是否与协调模块之间建立起无线连接；
[0014] 若建立连接成功，发光二极管LED3、LED4、LED5就会被接通，随后开始将采集到的数据发送给协调模块，利用协调模块对数据进行接收，将信息在oled显示器上面显示；若未建立连接，发光二极管LED3、LED4、LED5就不会被接通，采集到的数据就不能发送给协调模块；
[0015] D、将显示出来的瓦斯数据，利用协调模块判断是否满足在所设置的安全范围内，在安全范围内继续进行实时监测，超出范围后，协调模块发送命令通过电压值的变化接通报警模块；
[0016] E、利用报警模块实现电路系统安全监测：在采集到的瓦斯数据高于设置的安全
阈值后，报警模块被接通，发光二极管LED6灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会发出声响报警；
[0017] F、再利用复位电路、下载接口电路确保基本功能：在电路产生一次报警后，需要手动将电路复位，实现实时性的监测。
[0018] 本发明是基于ZigBee协议栈实现ZigBee技术，在瓦斯传感节点与协调器节点之间实现无线通信并实现监测。
[0019] 本发明的工作过程为：由电源管理模块负责为整个系统供电，并通过稳压电路得到适合电路工作的电源电压，由传感模块实现对井下瓦斯数据的采集，经由无线射频模块无线连接传感模块和协调模块，在oled显示器上显示出采集到的数据信息，将采集到的数据进行判断是否属于安全范围，若超过设置的安全值，启动报警模块进行报警，实现瓦斯的实时监测。
[0020] 本发明的有益效果是：本发明是基于ZigBee协议栈实现ZigBee技术，在瓦斯传感节点与协调器节点之间实现无线通信并实现监测，将采集到的瓦斯浓度信息发送给协调模块，进行处理、显示，与设定的阈值对比，来判断报警电路是否接通，从而实现对瓦斯浓度的监测，监测的实时性较高，可以有效的避免瓦斯事故的发生概率；能耗较低，延长了系统使用寿命。本发明与
现有技术相比，主要解决了监测实时性低、能耗高、成本高、等现象，增加了系统维护更加便捷，实时性得到较大改善，系统结构简单易操作，设计更多传感节点，使全局可以更全面的监测等优势。
附图说明
[0022] 图2是本发明电路原理图；
[0024] 图4是本发明协调模块流程图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体
实施例，对本发明作进一步说明。
[0026] 实施例1：如图1-4所示，一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，包括电源管理模块、协调模块、传感模块、复位电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接；
[0027] 所述电源管理模块包括外设电池、接口U1、自锁开关U2、AMS1117-3.3V稳压器U3、电容C1、电容C2、电阻R9；电池通过电源线连接到接口U1，U1的端口1与U2的端口2连接，端口2接地；U2的端口3连接电阻R9的一端，其它端口悬空；U3的端口1接地，端口2与端口4连接电容C1的一端，C1的另一侧接地，端口3连接电容C2，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与端口3相连，端口4接Vcc端，为整个系统供电。
[0028] 所述传感模块包括MQ-2传感器H1、LM393双电压比较器U8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、滑动变阻器RP1、电容C4、电容C5、LED1；H1端口1、端口2、端口3同时接地，端口4和端口6相连，连接到U8的端口2，且串接一个电阻R13并接地，端口5与电阻R12相连接后接地；U8的端口1作为输出端口，与电阻R10和U7的端口11相连，端口2与电容C5的一端连接，C5的另一端接地，端口3与滑动变阻器RP1连接，RP1两端分别接+5V电压和接地，端口4接地，端口8接+5V的电压，串接一个电容C4后接地，其它端口悬空；R10并接在LED1和R11的两端，通过LED1的亮暗程度来表示电压的变化，用于辅助灵敏度的调节。
[0029] 所述协调模块包括CC2530芯片、2*6排针U6、2*6排针U7、oled显示器、下载接口U9、电阻R6；CC2530芯片分别与2*6排针U6、2*6排针U7连接，U9的引脚1接地，引脚2接电源电压，引脚3连接U6的引脚2，还与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R1相连，引脚4与U6的引脚3相连，引脚5与U6的引脚8相连，引脚6与U6的引脚7相连，引脚7与U7的引脚3相连，引脚8与U6的引脚6相连，引脚9悬空，引脚10和oled显示器的引脚2同时与U6的引脚5相连；U6的引脚4悬空，引脚9与oled显示器的引脚3相连，引脚10与oled显示器的引脚4相连，引脚12与LED3相连；U7的引脚1与oled的引脚6都接地，引脚2和引脚4接电源电压，引脚3与电容C3一端连接，引脚5与oled引脚1连接，引脚9连接报警模块中的发光二极管LED6的一端，引脚11与U8的引脚1连接，引脚6、7、8、10、12均处于悬空状态。
[0030] 所述报警模块包含发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、蜂鸣器LS；发光二极管LED2阳极通过电阻R1与电源VCC相连，LED3阳极通过电阻R2与电源VCC相连接，LED4阳极通过电阻R3与电源VCC相连接，LED5阳极通过电阻R4与电源VCC相连接，LED2阴极接地，LED3阴极、LED4阴极、LED5阴极分别接协调模块中的排针U6的P10、P11、P14口，LED6阴极接协调模块中的排针U7的P04口；LED6阳极与电阻R8的一端、蜂鸣器LS的端口2相连接，电阻R8的另一端接电阻R7的一端、接地，电阻R7的另一端与蜂鸣器LS的端口1相连，相当于蜂鸣器LS并接在电阻R8两端。
[0031] 所述复位电路包括按键U4、电容C3、电阻R5；电阻R5接U3的端口4Vcc端，U4的1端口接协调模块中的2*6排针U7的3端口，U4的3端口接地，电容C3并联在U4的端口1和端口3两端。
[0032] 一种基于ZigBee协议栈的无线瓦斯监测方法，所述方法的具体步骤如下：
[0033] A、利用外部电源供电：将外设电池通过电源线接入到电路接口U1，由AMS1117-3.3V稳压器U3对电源电压进行电压转换，将得到的适合电路工作的电压作为电源电压由U3的端口4输出，当报警模块中的发光二极管LED2灯亮时，表示电源无误，开始为整个电路供电；
[0034] B、利用传感模块中的MQ-2传感器采集瓦斯浓度信息：开始供电后，MQ-2传感器作为瓦斯采集传感器，开始对所处环境中瓦斯数据进行感知采集；
[0035] C、利用无线射频模块进行数据收发，在oled显示器上显示数据信息：采集到瓦斯数据后，判断各个传感器节点是否与协调模块之间建立起无线连接；
[0036] 若建立连接成功，发光二极管LED3、LED4、LED5就会被接通，随后开始将采集到的数据发送给协调模块，利用协调模块对数据进行接收，将信息在oled显示器上面显示；若未建立连接，发光二极管LED3、LED4、LED5就不会被接通，采集到的数据就不能发送给协调模块；
[0037] D、将显示出来的瓦斯数据，利用协调模块判断是否满足在所设置的安全范围内，在安全范围内继续进行实时监测，超出范围后，协调模块发送命令通过电压值的变化接通报警模块；
[0038] E、利用报警模块实现电路系统安全监测：在采集到的瓦斯数据高于设置的安全阈值后，报警模块被接通，发光二极管LED6灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会发出声响报警；
[0039] F、再利用复位电路、下载接口电路确保基本功能：在电路产生一次报警后，需要手动将电路复位，实现实时性的监测。
[0040] 本发明的工作原理是：
[0041] 电源管理模块：本发明采用电池供电。电池通过电源线与U1接口连接在一起，电池通过U1接入电路，U2是一个开关，按下U2表示电池与
硬件电路接通，开始为电路供电。低功耗低压稳定器AMS1117-3.3V一共有四个引脚，三引脚的端口可调节或固定
输出电压，可实现对电压进行转换，使之符合CC2530的工作电压(2-3.6V)，C1、C2是辅助AMS1117-3.3V获得更稳定的工作电压范围。
[0042] 传感模块：本发明采用MQ-2传感器对瓦斯浓度数据进行采集。模块电路中多圈电位器RP1可调节模块的灵敏度，U8是双电压比较器LM393，与MQ-2传感器连接在一起，对Vo和Vth两个中进行比较，Vo高于Vth时，LM393输出低电平，通过相关程序指令控制，实现对井下瓦斯浓度数据的感知采集，并进行A/D转换。
[0043] 协调模块：本发明采用的是基于ZigBee协议栈的ZigBee汇聚节点。CC2530芯片为核心，设计外围电路，oled显示器与ZigBee兼容，具有
分辨率高和超低功耗的特点，协调模块是控制中心，是程序指令灌入电路的重要控制节点，负责与传感模块建立联系，给传感模块发送采集和发送数据的指令，收到数据后对其进行处理显示，判断是否启动报警电路。通过CC2530芯片中的无线射频模块实现无线通信；
[0044] 报警模块：本发明采用的是指示灯D4(发光二极管LED6)灯亮表示报警。在整个监测电路中，报警模块是必需的，当任一传感模块采集的瓦斯数据高于安全值时，协调模块控制报警模块被接通，D4灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会实现报警，电阻R8起到分压的作用，此报警模块的优势是结构简单，易实现。
[0045] 复位电路、下载接口：本发明采用的是手动复位，并设计一个下载接口。复位电路中U4是一个4接口的按键，实现手动复位，R5阻值为10K欧，起到分压的作用，电容C3并接在U4两边；下载接口有10个引脚，3脚外接R6，1脚接地，主要用于将程序指令灌入电路的一个连接接口。
[0046] 本发明采取指示灯显示电路工作状态，显示器显示数据信息。指示灯D1(发光二极管LED3)、D2(发光二极管LED4)、D3(发光二极管LED5)用来显示电路工作状态是否正常，便于系统电路维护，通过程序指令控制，将采集到的数据显示在oled显示器上。
[0047] 本发明
软件程序设计主要是对协调模块和传感模块进行相关的程序编译。图3是传感模块的详细流程图，传感节点主要实现：首先接收到加入网络绑定的允许，若能成功加入绑定，就开始采集瓦斯浓度，并向协调节点发送采集的瓦斯数据，若发送成功就有CC2530芯片进行
数据处理，这就完成了一次工作流程。若发送数据失败，就解除原绑定重新绑定网络，再依次进行重复步骤。
[0048] 图4是协调模块的详细流程图，协调节点主要实现：建立网络并允许对应的三个瓦斯采集节点加入进行绑定，确认绑定成功后，判断是否有瓦斯数据发送过来，若已经发送过来，就开始接受数据进行处理和显示的步骤，再对比设定的瓦斯浓度安全上限值(经多次实验，本发明设置为50)，若高于安全值，实现D4灯亮和蜂鸣器LS发声报警，若未超过上限，就完成一次工作流程，若为发送瓦斯数据，就返回上一步是否有对应的瓦斯采集节点绑定此网络，若没有绑定，就结束此次工作，重新开始工作流程。
[0049] 上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
